فناوری گداخت هسته‌ای شرکت آمریکایی به دستاورد پلاسما پایدار بدون میدان‌های مغناطیسی رسید

یک استارتاپ گداخت هسته‌ای در ایالات متحده ادعا می‌کند که یک مطالعه جدید تأیید کرده است که فناوری آن‌ها پلاسمای حرارتی پایدار تولید می‌کند—که یک گام اساسی برای دستیابی به انرژی قابل مقیاس است.

محققان انرژی هم‌سان‌گردی نوترون‌ها از دستگاه FuZE یا Fusion Z-pinch Experiment از Zap Energy را اندازه‌گیری کردند که انتشار یکنواخت نوترون‌ها را نشان می‌دهد، که نشانه‌ای از یک پلاسمای به‌خوبی رفتار شده است.

به گفته محققان، نتایج قوی‌ترین تأیید تا به امروز است که روش تثبیت‌شده Zap به نام Z pinch با جریان برشی در مسیر کسب بازده‌های بالاتر گداخت قرار دارد. این جهش اعتماد به نفس را برای پیشرفت به دستگاه FuZE-Q تقویت می‌کند و Zap را به انرژی گداختی عملی نزدیک‌تر می‌کند.

«اساساً، این اندازه‌گیری نشان می‌دهد که پلاسما در تعادل ترمودینامیکی است. این بدان معنی است که ما می‌توانیم اندازه پلاسمای خود را دوبرابر کنیم و انتظار داشته باشیم که همان نوع تعادل وجود داشته باشد»، گفت Uri Shumlak، رئیس علمی Zap و یکی از بنیان‌گذاران، در یک پست وبلاگ.

در اکتبر ۲۰۲۴، Zap که در سیاتل مستقر است، Century، اولین نمونه اولیه یکپارچه کامل خود را با نشان دادن فناوری‌های کلیدی برای یک نیروگاه گداخت رونمایی کرد.

پایداری گداخت تایید شد

فرآیند گداخت Zap بر اساس گداخت حرارتی است، جایی که هسته‌های هیدروژن تحت حرارت و فشار شدید به هلیوم می‌پیوندند و نوترون‌های با انرژی بالا را آزاد می‌کنند که ۸۰ درصد از انرژی واکنش را حمل می‌کنند.

هرچه نوترون‌های بیشتری تولید شود، پتانسیل انرژی بیشتری حاصل می‌شود. با این حال، همه واکنش‌های گداخت ایده‌آل نیستند. گداخت پرتو–هدف، که هنگامی رخ می‌دهد که هسته‌های هیدروژن سریع به برخورد با هسته‌های ساکن می‌پردازند، نشان‌دهنده ناپایداری پلاسما است و به طور موثر برای تولید خالص انرژی مقیاس نمی‌پذیرد.

گداخت حرارتی نوترون‌ها را با انرژی همسانگرد - یکنواخت در همه جهات - تولید می‌کند، در حالی که گداخت پرتو – هدف انتشارهای ناهمسانگردی را به بار می‌آورد، که در آن انرژي‌های نوترون با هر جهت تغییر می‌کند.

اندازه‌گیری همسانگردی نوترون‌ها یک راه ساده برای تعیین مقدار واقعی گداخت حرارتی در دستگاه FuZE از Zap است. اگر انتشار نوترون‌ها عمدتاً ناهمسانگرد باشد، این نشان‌دهنده آن است که سیستم برای دست‌یابی به سود انرژی خالص مقیاس‌پذیر نیست.

برای آزمایش این موضوع، دانشمندان Zap مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با استفاده از آشکارسازهای نوترونی که در اطراف دستگاه FuZE قرار گرفته بود، انجام داد. با تحلیل ۴۳۳ شلیک پلاسما تحت شرایط یکسان، دریافتند که انتشار نوترون‌ها تقریباً به طور کامل همسانگرد هستند.

به گفته محققان، این یافته‌ها تایید می‌کند که فرآیند گداخت Zap پایدار و مقیاس‌پذیر باقی می‌ماند و اعتبار رویکرد آنها برای دستیابی به انرژی گداختی عملی را تقویت می‌کند.

پیشرفت گداخت قابل مقیاس

همسانگردی نوترون‌ها نه تنها یک معیار فیزیکی کلیدی است، بلکه از نظر تاریخی برای رویکرد گداخت Zap نیز اهمیت دارد. Z pinch - یکی از قدیمی‌ترین مفاهیم گداخت - به دهه ۱۹۵۰ و آزمایش ZETA در بریتانیا برمی‌گردد.

در ابتدا، دانشمندان تصور کردند که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی برای فشرده‌سازی پلاسما، به گداخت دست‌یافته‌اند. هرچند، موفقیت آنها کوتاه بود، زیرا گداخت مشاهده‌شده عمدتاً از تعاملات پرتو–هدف ناشی از ناپایداری‌های مغناطیسی بودند. این بدان معنا بود که ZETA هیچ‌گاه نتوانست سود انرژی خالص به دست آورد و یک پیشرفت پیش‌بینی‌شده را به یک یأس بزرگ تبدیل کرد.

این مسئله از زمان‌های دور به پشت گداخت بر اساس pinch مبتلا شده است و حتی امروزه، تمامی فناوری‌های گداخت در خطر اشتباه‌گرفتن نوترون‌های پرتو–هدف به جای گداخت حرارتی واقعی هستند. به عنوان مثال، دستگاه تمرکز پلاسما پرتراکم (DPF)، اگرچه در تولید نوترون‌ها موثر است، عمدتاً به دلیل وابستگیش به واکنش‌های پرتو–هدف به عنوان یک منبع نیرو گداخت کنار گذاشته شده است.

پس از اولین اندازه‌گیری گداخت حرارتی در سال ۲۰۱۸، Zap اکنون داده‌های خود را با حساسیت بالاتر و در انرژی‌های بالاتر تأیید کرده است. این نتایج اخیر تأیید می‌کند که جریانات برشی می‌توانند ناپایداری‌هایی که پیشتر Z pinches را به هلاکت می‌بخشیدند، به تعویق اندازند که این امر گداخت مقیاس‌پذیر و بدون مغناطیس را به یک واقعیت امیدبخشی رسانده است.

«این مقاله یک توجه اصلی به فیزیک نشان می‌دهد. به همین دلیل ما تلاش زیادی کرده‌ایم تا این اندازه‌گیری‌های دقیق را به دست آوریم»، Shumlak در یک پست وبلاگ گفت.

تیم Zap اکنون در حال آزمایش همسانگردی نوترون‌ها در انرژی‌های بالاتر بر روی دستگاه FuZE-Q است که نتایج ابتدایی امیدبخشی نشان داده است. اندازه‌گیری‌های مداوم اطمینان خواهند داد که گداخت پرتو–هدف تأثیری بر بازده ندارد.

این مطالعه همچنین نشان داد که همسانگردی نوترون‌ها در اواخر هر شلیک کاهش می‌یابد، که احتمالاً نشان‌دهنده ناپایداری pinch قبل از توقف گداخت است. فهم این فاز می‌تواند به جلوگیری از ناپایداری‌ها، افزایش مدت زمان پلاسما و بهبود عملکرد کمک کند و Zap را به انرژی گداختی پایدار و با بازده بالا نزدیک‌تر کند، به گفته شرکت.

جزئیات تحقیقات تیم در مجله Nuclear Fusion منتشر شد.